中厚鋼板萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　摘要： 文中從萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接熔池行為及羽輝特性、焊接缺欠的抑制、焊接工藝的開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用等方面，對(duì)相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及存在的問(wèn)題進(jìn)行了比較系統(tǒng)地闡述和分析。其中，對(duì)于中厚鋼板的激光焊接，在功率達(dá)到萬(wàn)瓦以上時(shí)，如何保證焊縫質(zhì)量是目前萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)能否獲得應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，而羽輝的存在是影響萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素，利用側(cè)吹法、局部負(fù)壓法和真空法可以在很大程度上降低羽輝對(duì)激光能量的影響;此外，焊縫塌陷和底部駝峰的產(chǎn)生也是阻礙萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)應(yīng)用的主要技術(shù)難題，通過(guò)改變焊接姿態(tài)、采用電磁支撐系統(tǒng)、底部氣壓法或焊縫背面強(qiáng)制成形的方法有助于獲得良好的焊縫成形。

　　關(guān)鍵詞： 萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光; 焊接; 中厚鋼板; 研究現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢(shì)

　　0前言

　　隨著船舶、核電等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)中厚鋼板的焊接提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)中厚鋼板的焊接主要采用窄間隙弧焊，其中以窄間隙埋弧焊和窄間隙TIG為主，也有窄間隙激光焊的應(yīng)用探索[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)弧焊方法，窄間隙弧焊可明顯地減少焊接道數(shù)，能在一定程度上減小焊接變形并提高焊接效率;此外，窄間隙激光填絲焊[2]和窄間隙激光電弧復(fù)合焊[3]也是中厚鋼板焊接的重要研究方向。但無(wú)論是窄間隙弧焊還是窄間隙激光焊，由于需要多層填充，均難以滿足更高效率的焊接需求。

　　近年，萬(wàn)瓦級(jí)高功率激光焊接已成為國(guó)際上熱門的前沿焊接技術(shù)之一，利用萬(wàn)瓦激光的超高功率密度，可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，相同板厚條件下，采用萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接可在很大程度上減少焊道層數(shù)，從而降低層間清理次數(shù)并減少不必要的坡口加工等，可極大提高焊接效率，特別是在中厚鋼板的焊接中具有高效優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)的研究，對(duì)于解決國(guó)內(nèi)艦艇、核電等重大領(lǐng)域中厚板優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值。文中對(duì)相關(guān)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了匯總分析，主要涉及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)、熔池行為特征、羽輝物理特性、焊接缺欠的抑制以及焊接工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

　　1萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接技術(shù)特點(diǎn)

　　萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接工藝窗口更窄，因?yàn)橄啾惹呒?jí)激光焊接，萬(wàn)瓦級(jí)激光功率密度更高(其激光束功率密度可達(dá)1×107～1×108 W/cm2)，焊接熱過(guò)程更加復(fù)雜，極高的激光功率使得材料在極短的時(shí)間內(nèi)被加熱、熔化并發(fā)生劇烈的汽化，焊縫熔池金屬蒸發(fā)更加劇烈，焊接過(guò)程不易控制，特別是熔透時(shí)很難達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，易出現(xiàn)表面塌陷及底部駝峰。萬(wàn)瓦激光焊縫成形及常見(jiàn)缺陷[4]，如圖1所示。此外，由于焊接羽輝對(duì)激光的屏蔽作用會(huì)隨激光功率的增大而急劇增強(qiáng)，因此萬(wàn)瓦激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的大量羽輝，會(huì)對(duì)入射激光產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，降低激光能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致焊接過(guò)程穩(wěn)定性變差。

　　2萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接熔池行為及羽輝特性研究進(jìn)展

　　2.1萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接熔池行為研究現(xiàn)狀

　　萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接過(guò)程中，飛濺等焊接缺欠的產(chǎn)生與焊接熔池的行為密切相關(guān)，特別是激光匙孔的劇烈波動(dòng)直接影響到焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。激光匙孔縱截面形態(tài)，如圖2所示。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)匙孔的動(dòng)態(tài)行為作了較多研究，常用方法包括高速成像技術(shù)、實(shí)時(shí)X射線檢測(cè)及“三明治”觀測(cè)法，其中三明治法能夠比較直觀的觀測(cè)到匙孔內(nèi)部狀態(tài)，是匙孔特性研究的主要手段之一。

　　有關(guān)研究指出，在非穿透狀態(tài)下，當(dāng)激光功率相對(duì)較低時(shí)(20 kW以下)，飛濺主要在匙孔后沿產(chǎn)生，且其前期形態(tài)主要為后沿隆起的金屬液柱[5-6]，形貌如圖3所示。

　　圖3匙孔后沿液柱形貌對(duì)于匙孔后沿液柱的產(chǎn)生，Li等人[7]通過(guò)“三明治”觀察方法分析了其形成過(guò)程，如圖4所示。作者指出，后沿液柱的產(chǎn)生主要與匙孔內(nèi)壁形成的“凸臺(tái)”有關(guān)，其中后壁“凸臺(tái)”在粘性摩擦力的作用下不斷向上轉(zhuǎn)移，當(dāng)其轉(zhuǎn)移至匙孔開(kāi)口處時(shí)向上隆起并形成液柱。此外，李時(shí)春還指出，由于凸臺(tái)下面壓力較低且不受激光直接照射，部分蒸氣沿著匙孔前沿向下流動(dòng)，在匙孔底部遇到向上噴發(fā)的蒸氣時(shí)便會(huì)產(chǎn)生蒸氣渦流，而這會(huì)導(dǎo)致熔池金屬的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，同時(shí)會(huì)在匙孔后壁產(chǎn)生氣化波，當(dāng)氣化波在小孔開(kāi)口處破裂后，往往會(huì)伴隨有飛濺、液柱產(chǎn)生。

　　也有報(bào)道指出，當(dāng)激光功率超過(guò)20 kW后，飛濺主要產(chǎn)生位置會(huì)有所改變。比如，馮立晨[8]在激光功率增加到30 kW時(shí)觀察到匙孔前沿區(qū)域產(chǎn)生液柱及飛濺的概率明顯增加。但是，作者并沒(méi)有對(duì)匙孔邊沿不同區(qū)域產(chǎn)生金屬液柱概率不同的原因、液柱演變規(guī)律等給出規(guī)律且詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。

　　同樣基于“三明治”觀察法，Zhang等人[9]從匙孔內(nèi)部受力角度，對(duì)全熔透焊接時(shí)焊縫下表面飛濺的形成原因進(jìn)行了研究，如圖5所示。研究指出，底部飛濺產(chǎn)生的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是蒸氣流的高速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粘性摩擦阻力。基于上述分析，Zhang等人[10]指出焊縫上下表面產(chǎn)生的較多飛濺，從而造成焊縫填充不足是焊縫表面產(chǎn)生凹陷的原因之一。

　　對(duì)于焊縫底部駝峰的產(chǎn)生，陳根余等人[11]認(rèn)為匙孔前壁產(chǎn)生的“凸臺(tái)”對(duì)底部駝峰的形成有重要影響。此外，有研究指出，通過(guò)施加電磁場(chǎng)可在一定程度上減少背面駝峰的產(chǎn)生，而Qi等人[12]從熔池金屬流動(dòng)方面解釋了中厚板萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接過(guò)程中，外加電磁場(chǎng)如何防止焊縫根部下垂和脫落，研究指出電磁力通過(guò)減弱對(duì)焊縫背面液體的靜壓力來(lái)補(bǔ)償表面張力的不足，從而改變?nèi)鄢亟饘俚牧鲃?dòng)性，在表面張力和電磁力的共同作用下，高功率激光熔透焊接時(shí)的穩(wěn)定性得以提高。然而，采用“三明治”也有一定的局限性，因?yàn)槭桥c高溫玻璃貼合，匙孔沒(méi)有形成完全的閉環(huán)，其受力狀態(tài)也會(huì)與實(shí)際焊接時(shí)的狀態(tài)存在一定差異。

　　2.2萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接羽輝特性研究現(xiàn)狀

　　高功率激光焊接時(shí)，焊接羽輝會(huì)對(duì)入射激光產(chǎn)生折射和散射等作用，大幅降低到達(dá)工件表面的激光能量，導(dǎo)致焊接熔深無(wú)法達(dá)到預(yù)期的深度，且對(duì)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性以及焊縫質(zhì)量有著較大影響。因此深入了解萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接時(shí)羽輝特性及其對(duì)焊接過(guò)程的影響機(jī)制具有重要意義。目前，對(duì)羽輝的研究主要是利用光譜儀、激光探針及高速成像技術(shù)等手段、并從羽輝溫度、電子密度及其對(duì)入射激光的折射率和衰減系數(shù)等方面[13-14]進(jìn)行分析，常用方法如圖6所示。

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